(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５０原子％以上のロジウムと、
パラジウム、白金、イリジウム及びこれらの組合せのうちの少なくとも１種類からなる４８．９原子％以下の第１の材料と、
タングステン、レニウム及びこれらの組合せのうちの少なくとも１種類からなる１〜６原子％の第２の材料と、
ルテニウム、クロム及びこれらの組合せのうちの少なくとも１種類からなる８原子％以下の第３の材料であって、ルテニウムが４原子％以下の量で存在し、クロムが６原子％以下の量で存在する第３の材料と、
ジルコニウム、イットリウム、ハフニウム、タンタル、アルミニウム、チタン、スカンジウム、ランタニド系列元素、アクチニド系列元素及びこれらのいずれかの組合せのうちの少なくとも１種類からなる０．１〜２原子％の第４の材料と
からなる合金であって、前記合金におけるロジウムの含有量と第１の材料の含有量との合計が少なくとも８５原子％であって、１０００℃を越える温度で９０容量％以上の量のＡ１構造相を含む合金。
【請求項２】
前記第４の材料の少なくとも一部が前記Ａ１構造相中に溶解した溶質として存在する、請求項１に記載の合金。
【請求項３】
高温の酸化性環境で使用される物品であって、請求項１又は請求項２に記載の合金を含む物品。
【請求項４】
前記物品がガスタービンエンジンの部品である、請求項３に記載の物品。
【請求項５】
前記部品がタービンブレード、タービンベーン又は燃焼器部品である、請求項４に記載の物品。
【請求項６】
前記部品が被膜を含んでおり、該被膜が前記合金を含む、請求項５に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温に耐えるように設計された材料に関する。より詳細には、本発明は、例えば航空機エンジン及び発電設備のガスタービンエンジン構成要素などの高温用途の耐熱合金に関する。本発明は更に、高温用途の物品を修復する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの産業、とりわけ効率が機器の作動温度に直接関係する航空機エンジン業界及び発電業界においては、より一層の高温での十分なレベルの強度及び耐酸化性を示す合金に対する継続した要求が存在する。ベーン及びブレードのような構成要素のガスタービン・エーロフォイルは、通常、当該技術分野で「超合金」として知られる材料で作製される。用語「超合金」は、通常、鉄基、コバルト基、又はニッケル基の合金を含むことが意図され、これらは、アルミニウム、タングステン、モリブデン、チタン、及び鉄のような非限定的な実施例を含む、高温性能を強化するための１つ又はそれ以上の追加の元素を含む。例えば、「ニッケル基超合金」で用いられる用語「基」は、合金の「ベースとしている」元素が、合金組成中で原子分数の最大の単一の元素成分であることを意味するものとして当該技術分野において広く受け入れられている。一般に使用能力が約１２００°Ｃの温度に制限されていると認識されているが、ガスタービン・エーロフォイルで使用される従来の超合金は、多くの場合これらの実際の使用温度範囲の上限で動作する。一般的なジェットエンジンにおいては、例えば、バルク平均エーロフォイル温度は、約９００°Ｃから約１１００°Ｃに及ぶと共に、エーロフォイルの前縁及び後縁並びに先端温度は、約１１５０°Ｃ以上に達する可能性がある。このような高温では、酸化過程が従来の超合金部品を破壊し、部品から外れて小片になり易く又は剥離し易い、弱く脆い金属酸化物を形成する。
【０００３】
エーロフォイルの縁部で材料が浸食及び酸化すると、タービン効率の低下につながる。エーロフォイルが摩滅すると、構成部品間の間隙が過度に広くなり、ガス流が機械的エネルギーに変換されることなく、ガスがタービン段を通過して漏洩するようになる。効率が特定レベルよりも低下したときには、タービンはオーバーホール又は修理調整のために供用から取り外す必要がある。この修理調整工程の大部分は、エーロフォイルの前縁及び後縁並びに先端の修復に向けられる。例えば、損傷を受けた材料が除去され、次いで、例えば、充填剤を用いる溶接、既存ブレード上への新規区分の溶接又はろう付けなどの幾つかの方法のいずれかによって、或いはブレード上への金属粉末のプラズマ溶射又はレーザ溶着によって、新しい材料をブレード上に肉盛りする。修復用に通常使用される合金の性能は、修復される材料の微細組織、処理に起因する欠陥密度、及び化学的性質に応じて、元の構成要素の材料性能と同等或いは劣っている。更に、現在の方法においては、元の縁端材料は、元のブレードの残りの部分と同じ材料で作製され、多くの場合はニッケル基又はコバルト基超合金である。この材料は、ブレード全体の設計要件の均衡をとるように選択されたので、一般に、エーロフォイルの前縁又は後縁での条件によって要求される特定の局所的要件に適合するようには最適化されていない。しかしながら、エーロフォイルの先端及び縁端に示されるような最大温度は、今後の用途においては、従来の多くの超合金は溶融し始める約１３００°Ｃを上回ることが予想される。修復される構成要素の性能を改良するために、及びより高いタービン作動温度で作動するように設計された新規構成要素に対して得られる効率向上を生かすために、修復及び製造用の新材料を開発する必要があることは明らかである。
【特許文献１】米国特許６，１２９，９９７号公報
【特許文献２】米国特許３，６４０，７０５号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、これら及び他の必要性に対処するものである。１つの実施形態は、原子百分率で、少なくとも約５０％のロジウム、最大４９％の第１の材料、約１％から約１５％の第２の材料、及び最大約１０％の第３の材料を含む合金である。第１の材料は、パラジウム、白金、イリジウム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。第２の材料は、タングステン、レニウム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。第３の材料は、ルテニウム、クロム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。該合金は、約１０００°Ｃを越える温度で少なくとも約９０容量％の量でＡ１構造相を含む。
【０００５】
別の実施形態は、高温の酸化環境で使用される物品である。該物品は、上述の合金を含む。
【０００６】
更なる実施形態は、物品を作製する方法である。該方法は、上述の合金を提供する段階を含む。
【０００７】
別の実施形態は、物品を修復する方法である。該方法は、物品を提供する段階と、上述の合金を含む修復材料を提供する段階と、該物品に該修復材料を接合する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本明細書の説明には、ガスタービン業界、特に、航空機用エンジン及び発電用タービンの設計、製造、作動、及び修復に関するガスタービン業界の一部から選ばれた実施例を用いる。しかしながら、本発明の実施形態は、高温で侵食性の環境に耐える材料を必要とする多くの種々の用途に適用可能であるので、本発明の範囲はこれらの特定の産業だけに限定されない。
【０００９】
本発明の合金は、例えば、強度、延性、及び耐酸化性を含む、幾つかの競合する材料要件を均衡する。この合金用に開発された組成範囲は、材料を複雑な形状に形成できるような十分な延性を維持しながら、多くの産業機械の構成要素に伴う応力に耐える十分な強度を実現する必要性に基づいて選択された。この全ては、酸化に対する非常に高い耐性を保ちながら行われなければならない。
【００１０】
本発明の１つの実施形態によれば、該合金は、原子百分率で、少なくとも約５０％のロジウムと最大約４９％の第１の材料とを含み、該第１の材料は、パラジウム、白金、イリジウム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。これらの白金族金属は、ほとんどの形態の環境的侵食に対して全て高度に耐性があり、本発明の合金に高温における顕著な耐酸化性を与える。第１の材料を構成する元素は、ロジウムと同様にＡ１結晶構造を有し、約１０００°Ｃを越える温度でこれらの元素の各々がロジウムに溶解して、この同じ結晶構造を有する単一相固溶体を形成する。このＡ１構造化相は、望ましい特性の組合せを提供する。合金内に多量のＡ１構造化元素が存在することは、望ましい単一相ミクロ構造の形成を促進しその安定性を高める。従って、幾つかの実施形態においては、合金内のロジウムの原子百分率と合金内の第１の元素の原子百分率とを加えた合計が少なくとも約７５原子百分率であり、特定の実施形態においてはこの合計は少なくとも約８５原子百分率である。全ての場合において、本発明の合金は、約１０００°Ｃを越える温度で、少なくとも約９０容量％でのＡ１構造化相を含む。
【００１１】
該合金の強度は、他の材料を添加することによって強化される。該合金は、約１％から約１５％の第２の材料を更に含み、該第２の材料は、タングステン、レニウム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。更に、該合金は、最大約１０％の第３の材料を含み、該第３の材料は、ルテニウム、クロム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。これらの添加は、固溶体強化メカニズムによって該合金を強化するのに役立つが、該合金に添加される量は、耐酸化性及び延性の維持に関する懸念から制限される。該合金に添加される第２の材料及び第３の材料の量は、２次相の有害量が析出されるのを回避するために、Ａ１構造相内の成分元素のそれぞれの溶解度によってほぼ支配される。更に、耐酸化性が重要な懸念事項である幾つかの実施形態においては、該許容量は更に制限される。例えば、特定の実施形態において、第２の材料は約１原子百分率から約６原子百分率の量で存在し、第３の材料は最大約８原子百分率の量で存在する。これらの実施形態において、第３の材料の組成は、ルテニウムが最大約４原子％の量で存在し且つクロムが最大６原子％の量で存在するような上述の制約の範囲内で制御される。
【００１２】
幾つかの実施形態において、更に強化するために、第４の材料が合金に添加される。第４の材料は、元素自体がＡ１構造相に溶解されるときにある程度の固溶体強化をもたらすだけでなく、高度に安定した酸化物を形成する少なくとも１つの元素を含む。このような元素には、ジルコニウム、イットリウム、ハフニウム、タンタル、アルミニウム、チタン、スカンジウム、ランタニド系列元素、及びアクチニド系列元素が含まれる。これらの実施形態においては、該合金は最大約３原子百分率の第４の材料を含み、幾つかの実施形態においては、第４の材料は約０．１原子％から約２原子％の量で存在する。幾つかの実施形態においては、第４の材料は、合金全体にわたって分散される複数の酸化物粒子の形態で合金内に存在し、該酸化物粒子は第４の材料の酸化物を含む。微細な酸化物粒子の分散は、該合金に析出強化作用を与える。通常、金属材料を強化するために使用される酸化物粒子は、約０．１マイクロメートルから約１０マイクロメートルの範囲の粒径を有する。この分散は、該合金に第４の材料を金属形態で添加し、次いで該合金に対して酸化環境内で熱処理を施すことによってその場で形成することができ、当該技術分野で広く知られた処理及びその実施例は、Ｓｅｌｍａｎ他に付与された米国特許３，６４０，７０５号で説明されている。或いは、酸化物形態の第４の材料の少なくとも一部は、機械的合金材料の技術分野において一般的な方法で該合金に直接に添加し機械的に分散させることができる。どちらの場合も、幾つかの実施形態においては、第４の材料の少なくとも一部は、前記Ａ１構造相内に溶解された溶質として存在する。
【００１３】
上述の組成的効果の利点を完全に利用するために、本発明の実施形態は更に、原子百分率で少なくとも約５０％のロジウムと最大約４９％の第１の材料を含む合金を含み、第１の材料は、パラジウム、白金、イリジウム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。該合金内のロジウムの量に該合金内の第１の材料の量を加えた合計は少なくとも約８５原子百分率である。該合金は更に、タングステン、レニウム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む約１％から約６％の第２の材料と、ルテニウム、クロム、及びこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む最大約８％の第３の材料とを含む。ルテニウムは最大約４％の原子百分率の量で存在し、クロムは最大約６原子百分率の量で存在する。更に、該合金は最大約２％の第４の材料を含み、第４の材料は、ジルコニウム、イットリウム、ハフニウム、タンタル、アルミニウム、チタン、スカンジウム、ランタニド系列元素、アクチニド系列元素、及び上述の何れかの組合せのうちの少なくとも１つを含む。該合金は、約１０００°Ｃを越える温度で少なくとも約９０容量％の量でＡ１構造相を含む。
【００１４】
本発明の実施形態として本明細書で説明された合金は、金属の製造及び形成の種々の公知の方法の何れかを用いた生産に好適である。従来型の鋳造、粉末冶金加工、一方向凝固、及び単結晶凝固は、これらの合金のインゴットを形成するのに適した非限定的な実施例である。例えば、鍛造及び熱処理を含む、他の合金の形成において当該技術分野で一般的な熱加工及び熱機械的加工技法は、本発明の合金の製造及び強化で使用するのに好適である。
【００１５】
別の実施形態は、高温の酸化環境で使用するために適した物品である。該物品は上述の合金を含む。該物品は修復されたものとすることができ、或いは新たに製造された物品とすることができる。幾つかの実施形態において、該物品は、例えば、タービンブレード、ベーン、又は燃焼器構成要素などのガスタービンの構成要素を含む。構成要素全体に至るまで本発明の合金を含むことができる。更に、本発明の合金は、幾つかの実施形態においては、例えば、ブレード及びベーンの前縁と後縁、並びにブレード先端といった特に局所的に高温となることが多い構成要素の１つ又はそれ以上の領域を含む、構成要素のどこにでも好適に配置することができる。幾つかの実施形態においては、該物品は基材上に処理された被膜を含み、該被膜は合金を含む。被膜処理に好適な方法には、例えば、溶射、プラズマ溶射、ＨＶＯＦ溶射、及びレーザ溶着が含まれる。エーロフォイルの特定の区域（すなわち最も侵食性の応力−温度の組合せを受けることが知られている区域）だけに本発明の合金を含むようにすることは、例えば、白金、ロジウム、及びパラジウムといった白金族金属の多くの量を含む合金の、従来のエーロフォイル材料と比較して高コストで高密度であることを含む幾つかの欠点を最小にする。これらの欠点は、比較的高価で高密度（従来の超合金に対して）の合金が、構成要素の全表面積のわずかを占めるだけであるため、構成要素全体に対する影響は少ない。このようにして、構成要素の特性は、予想される局部的環境、設計過程での妥協に対する必要性の低減、及び新しい構成要素及び修復構成要素についての予想される導表され寿命の延長に対して”調整”される。
【００１６】
本発明の別の実施形態は、上述の物品を作製する方法、及びこのような物品を修復する方法を含む。該物品を作製する方法は、上述の合金を提供する段階を含む。物品を修復する方法において物品が提供される。該物品は、幾つかの実施形態においては、例えば、ブレード、ベーン、又は燃焼器構成要素を含むガスタービンエンジンの構成要素を含む。修復材料が提供され、この修復材料は本明細書で説明された合金を含む。この修復材料は該物品に接合される。幾つかの実施形態においては、接合は、修復される物品上に修復材料を含む被膜を少なくとも部分的に処理することにより行われる。他の実施形態においては、修復材料は、例えば、溶接、ろう付け、又は拡散接合を含む、１つ又はそれ以上の従来型の接合工程によって基材に接合される。修復材料が被膜の形態か、又は固体部の形態であるかにかかわらず、該修復材料は、該材料の性能特性を必要としていると思われる物品の任意の区域に施すことができる。これらの区域には、例えば、エーロフォイルの前縁と後縁、及びブレード先端が含まれる。
【００１７】
種々の実施形態を本明細書で説明したが、要素の種々の組合せ、変形、均等物、或いは改良を当業者は形成することができ、これらは依然として添付の請求項によって定義される本発明の範囲内にあることは本明細書から理解されるであろう。